DE3407172A1

DE3407172A1 - Einrichtung zur reinigung der abgase von dieselmotoren

Info

Publication number: DE3407172A1
Application number: DE19843407172
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. 6457 Maintal Domesle; Bernd Dr. 6450 Hanau Engler; Edgar Dr 8755 Alzenau Koberstein; Herbert 6450 Hanau Völker
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 1984-02-28
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1985-09-12
Also published as: ES539309A0; DE3407172C2; EP0154145B1; AU3919285A; DK85685D0; KR920004580B1; EP0154145A3; DK154311B; US4828807A; KR850007844A; JPH0617643B2; DK154311C; DD236367A5; NO161753B; AU565727B2; ES8700385A1; BR8500848A; NO845210L; EP0154145A2; DK85685A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren von oxidierbaren festen, flüssigen und gasförmigen Schadstoffen.
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Dieselmotoren emittieren neben den auch von Ottomotoren ausgestoßenen Schadstoffen, wie Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und CO, bedingt durch ihre Betriebsweise, auch Rußteilchen bzw. feinste Kondensattröpfchen oder ein Konglomerat von beiden ("particulates¹¹). Diese "particulates", im folgenden einfach als "Dieselruß" oder schlicht "Ruß" bezeichnet, sind besonders reich an kondensierbaren, polynuklearen Kohlenwasserstoffen, von denen einige als krebserregend erkannt worden sind.

Zur Verminderung der Partikelemissionen wurde z. B. in Amerika eine Limitierung der Partikelmassen im Abgas eingeführt. So darf in Kalifornien ab Modelljahr 1986 die

Partikelemission den Grenzwert von 0,2 g/Meile nicht über-35

schreiten. Dies kann allein durch innermotorische Maß-

* nahmen nicht erreicht werden. Für eine technische Lösung müssen daher Abgasnachbehandlungseinrichtungen herangezogen werden.

Es ist schon vorgeschlagen worden, Dieselruß in Filtern einzufangen und diese durch periodisches Abbrennen der angesammelten Partikel zu regenerieren. Die Betriebsweise eines Dieselmotors beeinflußt, wie durch thermogravimetrie sehe Analyse von Partikeln im Filter festgestellt werden konnte, insoweit die Zusammensetzung des in Filtern abgeschiedenen Dieselrußes, als dieser unter den relativ hohen Abgastemperaturen bei hoher Motorlast überwiegend Kohlenstoff partikel, unter den relativ niedrigen Abgastemperaturen bei niedriger Motorlast aber neben den Kohlenstoffpartikeln noch erhebliche Anteile an verflüchtigbaren Stoffen enthält. Bei hoher Motorlast wird daher aus einem gegebenen Abgasvolumen weniger Dieselruß abfiltriert, während flüchtige Dieselrußbestandteile das heiße Filter gasförmig passieren.

Unter normalen Betriebsbedingungen reichen die Temperaturen von Dieselabgasen zum Abbrennen des angesammelten Rußes nicht aus - dazu sind je nach motor- bzw. belastungsbedingter Rußzusammensetzung mindestens 500 - 600° C nötig. Es muß daher für eine rechtzeitige Erhöhung der Abgastemperatur zur Regenerierung des Filters gesorgt werden, um eine zu starke Akkumulation von Ruß und damit Erhöhung des Abgasgegendrucks bis zur Verstopfung zu vermeiden. Dies

kann u. a. so geschehen, daß das im Motor gebildete Luft/ 30

Kraftstoff-Gemisch periodisch angefettet wird und damit höhere Abgastemperaturen erzeugt werden.

Eine andere Möglichkeit sieht die Anordnung eines Brenners _a5 im Abgassystem vor dem Filter vor, welcher bei Bedarf gezündet wird und das Filter auf die für den Rußabbrand benötigte Temperatur heizt.

Diese Lösungswege sind aber mit zusätzlichem Brennstoffverbrauch verbunden und reduzieren damit teilweise einen wichtigen Vorteil des Dieselmotors. In der DE 31 41 713 A sowie in der deutschen Patentanmeldung P 32 32 729.3 ist ° bereits vorgeschlagen worden, die Zundtemperatür von Dieselruß durch Ausrüstung eines Rußfilters bzw. einer Rußfalle mit speziellen Katalysatoren herabzusetzen, wodurch sich insbesondere eine wesentliche Verminderung des Brennstoffverbrauchs während der Regenerationsphase des Filters erreichen läßt. Ein hierfür geeigneter Katalysator ist z. B. Silbervanadat oder -perrhenat. Er kann, gegebenenfalls in Kombination mit einem Trägermaterial, auf ein Filterelement aufgebracht werden, welches neben seiner eigentlichen Funktion diejenige eines strukturellen Verstärkers für den

Katalysator übernimmt. In Betracht kommende Filtersysteme sind z. B. eine Packung aus temperaturbeständiger Metalloder Mineralwolle, ein Filterelement gemäß DE 29 44 841 A oder DE 29 51 316 A 1 oder ein von parallelen Strömungskanälen durchzogener Keramikmonolith, bei dem jeweils ein

20

an einer Stirnfläche offener Kanal auf der anderen Stirnfläche verschlossen ist, so daß die makroporös ausgebildeten Kanalwandungen als Filterflächen wirken.

Die beschriebenen, mit Katalysator ausgerüsteten Filter-25

systeme haben gemeinsam, daß sie in der sogenannten Rußbeladungsphase den Ruß, genauer den nach dem jeweiligen Betriebszustand überhaupt abfiltrierbaren Abgasanteil, auf ihren Filterflächen ansammeln, bis beim Auftreten von Temperaturspitzen im Abgas die Zündung mit der anschließenden Abbrennphase erfolgt. Die Temperaturspitzen können absichtlich, z. B. durch Gemischüberfettung herbeigeführt werden.

Die Zündtemperaturen werden durch die katalytische Aktivierung bei Sauerstoffgehalten des Abgases von ca. 2-14 Vol.% im allgemeinen um ca. 50 - 80° C erniedrigt und es

wird eine vollständige Abreinigung des Filters erzielt, welche bislang als "vollständiger Rußabbrand" gedeutet wurde.

Indessen hat sich gezeigt, daß mit den zündtemperatursenkenden Katalysatoren keine vollständige Durchoxidation anströmender flüchtiger Dxeselrußkomponenten sowie des während einer Rußbeladungsphase am Filter angesammelten und dann gezündeten Dieselrußes erzielt werden kann und

^Q bei den Abbrandbedingungen gegebenenfalls an den Kohlenstoff partikeln adsorbierte Kohlenwasserstoffe, meist mehrkernige Aromaten, verflüchtigt oder eventuell sogar zu teilweise flüchtigen Produkten gespalten oder unvollständig oxidiert werden.

Als Folge davon ist nicht nur ein Anstieg der Emission von Kohlenmonoxid und evenutell sogar von bei normaler Außentemperatur flüchtigen Kohlenwasserstoffen in einem erheblichen Ausmaß über die sonst an sich günstig beurteilte

Emission des Dieselmotors hinaus zu beobachten, sondern beim "Abbrand" verdampfte, bei normaler Außentemperatur nichtflüchtige Kohlenwasserstoffe passieren das Filter gasförmig, kondensieren beim Eintritt in die Umgebungsluft und vergrößern damit die Emission an "particulates" in un-

erwünschtem Maße. Erkennbar wird der Abbrennvorgang durch ein sprunghaftes Absinken des Abgasgegendrucks vor dem Filter.. ■

Gemäß der älteren, noch unveröffentlichten deutschen Anmeldung P 32 32 729.3 ist schon versucht worden, diesem Problem dadurch zu begegnen, daß die dort beschriebenen, nach dem zweistufigen Rußbeladungs- und Abbrandzyklus arbeitenden Filtereinheiten auf ihrer Abgaseintrittsseite _OI_ mit einem Zündkatalysator und auf ihrer Abgasaustrittsseite mit einem Edelmetallkatalysator belegt werden.

Die konstruktive Ausbildung dieser auf der stromaufwärtigen Seite einer Filtermembran mit dem Zündkatalysator und auf deren stromabwärtiger Seite mit dem Edelmetallkatalysator versehenen einstückigen Systeme war jedoch insoweit verbesserungsbedürftig, als die beiden unterschiedlichen Katalysatorschichten auf Vorder- und Rückseite der Membran bzw. der Membranen eines solchen Filters nur schwierig und umständlich anzubringen sind und diese vom zu reinigenden Abgas jeweils nur ein einziges Mal durchströmt werden, wodurch sowohl die Rußrückhaltung als auch die Nachverbrennung flüchtiger Schadstoffe begrenzt und die Grenzfläche zwischen beiden Katalysatorarten thermisch außerordentlich stark belastet wird.

Der Erfindung liegt daher

das Prinzip zugrunde, für

jede der beiden Katalysatorarten ein selbständiges Filterelement als struktureller Verstärker vorzusehen und die verschiedenen aktivierten Einzelelemente in Form einer

mehrfachen Aufeinanderfolge zu schalten.

Die Erfindung betrifft demgemäß eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit einem im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filter,

welcher mit einem die Zündtemperatur ausgefilterter Rußteilchen senkenden und ihren Abbrand fördernden sowie mit einem die'Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator versehen ist, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Gehäuse unmittelbar oder im Abstand hintereinander Filterelemente zur Abtrennung der Rußteilchen angeordnet sind, wobei mindestens ein Filterelement A, welches den die Zündtemperatur des Rußes senkenden und seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt und mindestens ein FiI-

gg terelement B, welches den die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt, einander mehrfach abwechseln.

Um den die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator vor einer Inaktivierung durch abgeschiedene "particulates" zu bewahren, sieht eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung vor, daß eine Serie alternierender einzelner Filterelemente oder Filterelementgruppen der Spezies A und B in Richtung des Abgasstroms mit einer Spezies A beginnt und mit einer Spezies B endigt. Diese schließt eine umgekehrte Anordnung nicht aus.

Im allgemeinen werden Filterelemente der Spezies A bzw. B in gleicher geometrischer Form eingesetzt; bei entsprechender Gestaltung des Gehäuses können jedoch auch Elemente unterschiedlicher geometrischer Form nacheinander angeordnet werden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Filterelemente A bzw. B gleicher geometrischer Form in einem Abstand von höchstens der doppelten Stärke des Filterelements aufeinander folgen. Das Abgas wird dadurch bei jedem Austritt aus einem Filterelement in den Zwischenraum

erneut verwirbelt, was die Konversion der Schadstoffe gün-20

stig beeinflußt.

Durch die kaskadenartige Anordnung mehrerer Filterelemente der verschiedenen Spezies wird nicht nur die Filtration und Konversion der "particulates" und die Nachverbrennung

vorhandener oder gebildeter gasförmiger Schadstoffe mehrfach wiederholt, sondern auch die in vorderen Abschnitten der Abgasreinigungseinrichtung entwickelte Wärme in hinteren Abschnitten nutzbar gemacht.Dies ermöglicht, den

__. Strömungswiderstand des Filters herabzusetzen und bei mittleren und höheren Betriebslasten unter Verzicht auf eine ausgeprägte "Rußbeladungsphase", einen weitgehend kontinuierlichen Umsatz der "particulates" auf ihrem Weg durch die Abgasreinigungseinrichtung herbeizuführen.

Allgemein verwendbare Filterelemente können sein: Offenporig gesinterte Keramikscheiben; Scheiben aus gepreßter Keramikfaser, insbesondere Al₃O₃-, SiO₃-, Aluminiumsilikatoder ZrO,,-Faser; Scheiben aus Sintermetall; Scheiben aus

5 ^

gepreßter Stahlwolle; Schüttkörperschichtungen aus temperaturbeständigem keramischen oder metallischen Material.

Als besonders geeignetes Filterelement für ein Gehäuse
beliebigen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts kann dafür eine gegebenenfalls mit einer metallischen Einfassung als Halterung umgebeiE flache Scheibe aus verdichtetem
Drahtgewebe verwendet werden, welche bei axialem Pressen eines in mehreren Lagen aus einem endlosen, hochtemperaturfesten und korrosionsunempfindlichen Draht geflochtenen Strumpfes resultiert. Solche Filterelemente sind in der
DE 32 03 237 A 1 im einzelnen beschrieben.

Der Katalysator für das Filterelement A, welcher das Zünden und Abbrennen der "particulates" fördern soll, besteht gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, der auch selbständige Bedeutung zukommt, aus einer oder mehreren der nachstehenden, für diesen Sonderfall einer heterogenen Katalyse der Umsetzung eines teilchenförmigen Stoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel als überaus wirksam befundenen Zusammensetzungen a) bis e):

a) Lithiumoxid,

b) Vanadinpentoxid,

c) Vanadinpentoxid plus Oxid eines oder mehrerer der

Elemente

Li, Na, K, Rb, Cs;

Mg, Ca, Sr, Ba;

35 ^B' ^Al; Si, Sn;

Sb, Bi;

Cu, Ag;

Zn;

Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Tb;

Ti, Zr, Hf;
Nb;

Cr, Mo, W;

Mn, Re;

Pe, Co, Ni,

wobei der Oxidzusatz vorzugsweise 1-30 Gew.%, bezogen auf V₃O₅ beträgt,

d) Vanadat von einem oder mehreren der unter c) für den Oxidzusatz aufgeführten Metalle und

e) Perrhenat, vorzugsweise von Li, K, Ag, V. 15

Der zum Einsatz kommende Katalysator dieses Typs kann mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial kombiniert sein, wobei dieses entweder mit dem Katalysator vermischt ist

oder, aufgebracht auf dem Filterelement, dem Katalysator 20

als Unterlage dient. Geeignete Tragermaterialien, welche

einzeln oder in Abmischungen verwendet werden können, sind z. B. MgO, Al₇O₃, insbesondere ^-Al₂O₃, CeO₂, SiO₃, SnO₂, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, ThO₂, Nb₃O₅, WO₃, Magnesiumsilikat, Aluminiumsilikat und/oder Magnesiumtitanat oder Kombinationen 25

davon.

Von besonderer Bedeutung ist die Wahl des Werkstoffes für das Filterelement A. Es wurde gefunden, daß sich Werkstoffe

mit chemischen Zusammensetzungen (in Gew.%) wie 30

C Mn P S Cr Si V Co Al Zr Y

a) 0.09 0.29 0.02 0.02 12.93 0.22 0.03 0.48 5.05 0.15 .0

b) 0.11 0.30 0.02 0.02 13.17 0.22 0.07 0.56 4.92 0.23 0 c) 0.03 0.31 0.02 0.00 20.0 0.44 0.12 0.48 4.3 - 0.12 0

oder auch 5.3

d) 0.17 0.28 0.02 0.02 15.39 0.32 0.02 0.34 5.53 0.005 0.45

(Werkstoffe a) und b) entsprechen DIN 1.4725 und Werkstoff

c) der DIN 1.4767),ferner Eisenlegierungen mit hohem Nickelgehalt, Eisenlegierungen mit einem Nickelüberzug sowie

Aluminium-beschichtete oder mit einer Aluminium-Diffusions-5

schicht überzogene Eisenlegierungen besonders gut eignen.

Als Katalysator für das Filterelement B kann eines oder mehrere Platingruppenelemente, gegebenenfalls zusammen mit einem oder mehreren Unedelmetallen, in Kombination mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial, vorzugsweise MgO, AIpO-, insbesondere
CeO₂, SiO₂, SnO₂, TiO₂, ZrO₃, HfO₃, ThO₂, Nb₃O₅, WO₃, Magnesiumsilikat, Aluminiumsilikat und/oder Magnesiumti-,g tanat oder Kombinationen davon eingesetzt werden, wobei das Trägermaterial entweder mit dem Katalysator vermischt ist oder auf dem Filterelement aufgebracht, dem Katalysator als Unterlage dient.

Als Werkstoff für das Filterelement B wird ein Aluminiumhaltiger Chromstahl bevorzugt, welcher durch Tempern an Luft bei Temperaturen von 800 - 1300° C mit einer haftfesten Aluminiumoxidschicht überzogen werden kann. Auf dieser Verankerungsschicht werden dann Trägermaterial und katalytisch aktive Komponente gleichzeitig oder nacheinander nach bekannten Methoden aufgebracht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Figur 1 ein 12 Filterelemente enthaltendes Abgasfilter;

gg Figur 2 den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase

bei einer Serie von 12 unbeschichteten Filterelementen ;

Figur 3 den Verlauf der Rußsammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 Filterelementen der Spezies A?

Figur 4 den Verlauf der Rußsammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 6 Filterelementen der Spezies A, gefolgt von 6 Filterelementen der Spezies B und

Figur 5 den Verlauf der Rußsammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 Filterelementen der Spezies A und B, wobei jeweils ein Element der Spezies A mit einem Element der Spezies B einander abwechseln.

Für die Durchführung der Ausführungsbeispiele wurde jeweils ein Abgasfilter aus einem zylinderförmigen Blechgehäuse aus Chrom-Nickelstahl verwendet, welches an den Frontseiten jeweils mit einem zu einem Rohrstutzen für den Abgaseintritt bzw. -austritt konisch zulaufenden Deckel verschlossen war und in dem zylinderförmigen Innenraum jeweils 12 hintereinander angeordnete Filterelemente aus Drahtgestrickscheiben gemäß DE 32 03 237 A 1 der Knecht Filterwerke GmbH, 7000 Stuttgart, enthielt, wobei diese Filterelemente mit ihrem Umfang eng an der Gehäusewand anlagen.

Die Drahtgestrickscheibe aus Werkstoff 1.4767 (Zusammensetzung in Gew.% : C 0.03, Mn 0.31, P 0.02, S 0.00, Cr 20.0, Si 0.44, V 0.12, Co 0.48, Al 4.8, Zr 0.12) hatte einen Durchmesser von 72 mm, eine Dicke von 3,2 mm und wog 10,2 g. Sie war durch exaktes Pressen eines in mehreren Lagen aus einem 75 m langen Draht von 0,15 mm Dicke geflochtenen Strumpfes gefertigt.

Zur Herstellung von Filterelementen der Spezies A wurden die Drahtgestrickscheiben zunächst 1 Stunde bei 700° C vorgetempert, danach bei Raumtemperatur in einem pulverförmigen Gemisch aus 99 Gewichtsteilen Vanadinpentoxid(Reinheit 97 %)und 5 Gewichtsteilen Silbervanadat gewälzt und der dabei erzeugte Belag 30 min. bei 700° C behandelt. Dabei entstand eine festhaftende, geschlossene Katalysatorschicht von 1 - 10 μΐη Dicke (Katalysatormasse je Scheibe = ca. 2 g).

Zur Herstellung von Filterelementen der Spezies B wurden pro Scheibe 9 g 'Jf-Al-0-. und 0,07 g Platin aufgebracht. Die Aufbringung des Aluminiumoxids erfolgte durch Tauchen der Scheibe in einer 30 Gew. %-igen wäßrigen Aluminiumoxiddispersion, Ausblasen und Trocknen bei 200° C, wobei diese Vorgänge 3-6 mal wiederholt wurden. Der Katalysatorbelag wurde daraufhin 120 min. bei 700° C getempert. Die Aufbringung des Platins erfolgte durch mehrmaliges Imprägnieren der Al_o0_-gecoateten Drahtgestrickscheibe mit einer wäßrigen Lösung von Pt(NH.,) . (OH)₉ und Trocknen bei 200° C sowie durch darauffolgendes 1-stündiges Calcinieren bei 500° C und eine abschließende 2-stündige Reduktionsbehandlung in Formiergas (Zusammensetzung: 95 Vol.%

N„ + 5 Vol.% H₀) bei 550° C. 25 ^{2 2}

Für die einzelnen Versuche wurden jeweils 12 Filterelemente in unbeschichteter Form oder gemäß den Spezies A und B in dem in Figur 1 gezeigten Gehäuse untergebracht.

Nach Figur 1 besteht der in den Beispielen verwendete Testkonverter aus einem zylindrischen Gehäuseteil 1 aus Werkstoff 1.4571, das am anströmseitigen Ende einen zur Gehäuselängsachse senkrecht ausladenden Flansch mit 6 gleichverteilten Bohrungen 5 zur Aufnahme einer SchraubbolzenverbindungVaufweist.

-.16-

Am abströmseitigen Ende verläuft das Gehäuse mit einem Konus zu einem zylindrischen Austrittsstutzen für das Abgas, auf den die rückwärtige Auspuffleitung aufgesteckt wird.
5

Im Gehäuseteil 1 sind hintereinander, jeweils in einem Abstand von 6 mm, 12 der vorhin erläuterten scheibenförmigen Filterelemente 2 der gewünschten Spezies eingesetzt. Ihre Umfange liegen dem Gehäusemantel eng an. Die Abstände zwischen den Filterscheiben werden durch eingeschobene Zwischenringe 3 aus Werkstoff 1.4571 gehalten. Die Abstände dienen zur Verbesserung der Gasdurchmischung.

Auf der Anströmseite des Konverters ist das Gehäuseteil 1 mit einem Anströmkopf 4 aus demselben Material verbunden. Der Anströmkopf besteht aus einem in den Innenmantel des Gehäuses eingepaßten und in diesen einschiebbaren Ring (Länge entspricht etwa der Stärke des Gehäuseflansches), welcher mit einem zum Eintrittsstutzen für das Abgas zu-.²O laufenden Konus verbunden ist. In den Abgaseintrittsstutzen wird die vom Motor kommende Auspuffleitung eingesteckt. An

dem Konus des Kopfteils ist ein mit 6 Bohrungenyzur Aufnahme der genannten SchraubbolzenverbindungWersehener Gegenflansch zum Flansch des Gehäuses 1 so angebracht, daß ^° seine Dichtfläche in der durch den Ringansatz am Konus verlaufenden Ebene liegt. Zwischen den beiden Flanschen ist eine Dichtscheibe 6 aus Asbest (Montanit^ ) vorgesehen.

Durch das Anziehen der SchraubbolzenVwerden die Filterelemente 2 über die Zwischenringe 3 zusammengepreßt. Sie legen sich dadurch an ihrem Umfang noch enger an den Innenmantel des Gehäuses an, womit ein Bypaß des Abgases vermieden wird und das gesamte Abgas gezwungen wird, sämtliche

Filterelemente zu passieren.

Das montierte Abgasfilter wird in die Auspuffleitung eines mit einer Wasserwirbelstrombremse mit elektrischer Drehzahl- und Lastregelung versehenen Dieselmotors mit folgenden

Daten eingebaut: 5

VW - 4 - Zylinder - Diesel-Motor Leistung: 4OkW Hubvolumen: 1500 cm³

Höchstdrehzahl unbelastet: 5.550 Umdreh./Min. Leerlaufdrehzahl: 825 Umdreh./Min.

Die Abgasanalyse umfaßt eine Bestimmung von HC, CO, NO vor und nach dem Abgasfilter sowie eine Rußmesssung nach dem Filter mittels eines Opacimeters (Trübungsmesser).

Der Abgasgegendruck (Druckverlust) vor dem Filter wird mittels eines Dosen-Kontakt-Manometers und die Abgastemperatur vor Filter mit einem Ni-Cr-Ni-Thermoelement erfaßt.

Für die in den Beispielen geschilderten Tests wurde unter Verwendung vorstehend erläuterter Prüfanlage folgendes Meßverfahren angewandt:

Der Dieselmotor wird zu Beginn auf eine konstante Last und 25

Drehzahl eingestellt und so lange unter diesen Bedingungen betrieben, bis ein Ladedruck am Filter von 150 mbar erreicht ist (Sammelphase). Die dafür erforderliche Zeit sowie die anderen Parameter werden kontinuierlich von einem 6-Kanalschreiber aufgezeichnet.

Vor Beginn des eigentlichen Prüfzyklus erfolgt die Ermittlung der Ruß-Zündtemperatur, indem die Last vom Ladedruck 150 mbar aus stufenweise bis zum Erreichen eines Gleichgewichtsdruckes (Zünddruck P ) gesteigert wird. Als Zünd-

temperatur T„wird diejenige Abgastemperatur definiert, bei der unter konstant gehaltenen Motorbetriebsbedingungen kein weiterer Druckanstieg mehr stattfindet, d. h. der sich am Filter ablagernde bzw. am Filter ankommende Ruß sofort wieder verbrennt.

Nach 5 Minuten Betrieb unter konstanten Bedingungen wird die Motorlast angehoben, bis die oberhalb T„ liegende Regenerationstemperatur erreicht ist. Dann beginnt der abgelagerte Ruß zu verbrennen und der Druck vor dem Filter sinkt rasch bis zu einem Grenzwert des Regenerationsgrades ab, der je nach Filtertyp bzw. -anordnung verschieden ist. Nach 20 Minuten wird die Regeneration als beendet angesehen

und danach der Zyklus wiederholt.
15

Die Zeit vom Beginn der Regeneration bis zum Erreichen des Enddruckes wird für die Bewertung der Katalysatorbeschichtung(en) herangezogen. Sie charakterisiert die Ruß-Abbrenngeschwindigkeit. Für die Auswertung wird ein aus der Summe

von Einzelzyklen gebildeter Mittelwert verwendet.

Neben der Ruß-Zündtemperatur wird auch die Partikelabscheidung mit Hilfe eines der Filtereinrichtung (Testkonverter)

nachgeschalteten Trübungsmessers (Opacimeter) bestimmt. 25

Beispiel 1

_₀ Das Beispiel beschreibt den Verlauf der Partikel-Sammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 nicht mit Katalysator beschichteten Filterelementen.

12 Filterelemente der beschriebenen Konstruktion, ohne ge katalytische Beschichtung, wurden in dem in Figur 1 dargestellten Konverter an der Prüfanlage mit Dieselabgas beaufschlagt.

Die gemessenen Daten sind aus der den Beispielen nachgestellten Tabelle und aus Figur 2 zu ersehen. Es ergibt sich:

° In der sog. Sammelphase, die bei konstanter Drehzahl und Motorlast abläuft, beladen sich die Filterelemente mit den im Abgas enthaltenen Rußpartikeln, wodurch der Druckverlust (bzw. Abgas-Gegendruck) im System zunimmt. Bei Erhöhung der Motorlast stellen sich Gleichgewichtsdruck P₂ und Gleichgewichtstemperatür T₂ allmählich ein.

Bei weiterer Anhebung der Motorlast steigt die Abgastemperatur an, wodurch sich der Abbrand der Rußpartikel beschleunigt. Als Folge davon fällt die Druckverlustkürve relativ

15

steil ab und verläuft sodann bis zur Erreichung des Enddruckes P„ nahezu horizontal.

Der Verlauf der in Figur 2 abgebildeten Druckverlustkurve zeigt: Zündtemperatur, Zünddruck und Enddruck liegen hier

20

relativ hoch. Eine Konvertierung von flüchtigen Kohlenwasserstoffen und von CO ist nicht feststellbar. Im Filter erfolgt eine Verringerung der anfänglichen Partikelkonzentration um 74 % durch Abscheidung, entsprechend einer Partikelemission aus dem Filter von 26 % des Ausgangswertes.

25

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt den Verlauf der Ruß-Sammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 Filterelementen der Spezies A.

Die Filterelemente wurden in den Konverter eingesetzt und an der Prüfanlage getestet. Die Meßdaten sind der den Beispielen nachgestellten Tabelle zu entnehmen.

Daraus und aus Figur 3 geht hervor, daß Partikelsairanelphase, Rußzündung und Regeneration des Filters etwa wie in Beispiel 1 verlaufen, allerdings mit dem Unterschied, daß hier die Zündung dank der Katalysatorwirkung bereits bei geringerem Druckverlust und niedrigerer Temperatur - und demgemäß auch in kürzerer Zeit - einsetzt.

Die Filterregenerierung verlief vollständiger, erkennbar an der Erreichung eines gegenüber Beispiel 1 erheblich niedrigeren Enddrucks P_.

Ei

Die Kohlenwasserstoff- und CO-Konvertierung änderte sich (im Rahmen der Meßgenauigkeit) gegenüber Beispiel 1 nicht, d. h. der Zündkatalysator ist zur Konvertierung dieser Stoffe nicht imstande.

Die gegenüber Beispiel 1 geringere prozentuale Partikelabnahme erklärt sich durch den katalysierten Rußabbrand, der

zu einem dünneren und damit schlechter filtrierenden Filter-20

belag führt.

Beispiel 3

Das Beispiel beschreibt den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase bei einer Serie von 6 Filterelementen der Spezies A, gefolgt von 6 Filterelementen der Spezies B.

₃Q Die Filterelemente der Spezies A, gefolgt von den Filterelementen der Spezies B wurden in den Konverter eingesetzt und an der Prüf anlage getestet. Die Meßdaten sind aus der den Beispielen nachgestellten Tabelle und aus Figur 4 zu ersehen.

Es ergab sich, daß Sammel- und Abbrennphase ähnlich wie in den Beispielen 1 und 2 verlaufen, jedoch mit dem Unter-

schied, daß die Rußzündung bei einem gegenüber Beispiel 2 noch weiter abgesenkten Druckverlust und bei noch geringerer Abgastemperatur einsetzt.

° Nach Abschluß der Regenerierungsphase wurde auch ein weiter abgesenkter Enddruck P„ erreicht. Durch die mitverwendeten Filterelemente der Spezies B konnte ferner eine erhebliche Absenkung der CO- und HC-Konvertierungen erzielt werden. Zusätzlich ergab sich durch die Kombination der beiden Filterelementspezies gegenüber Beispiel 2 eine geringfügige Verbesserung des Filterwirkungsgrades.

Beispiel 4 15

Das Beispiel beschreibt den Verlauf der Rußsammel- und Abbrennphase bei Einsatz von 12 Filterelementen der Spezies A und B, wobei jeweils ein Element der Spezies A mit einem Element der Spezies B einander abwechseln.

20 25

In den Konverter wurden die "Elemente in der Reihenfolge A-B-A-B- etc. eingesetzt und das Filtersystem an der Prüfanlage getestet. Die Meßdaten sind aus der nachfolgenden Tabelle und aus Figur 5 zu ersehen.

Der in Figur 5 dargestellte Kurvenverlauf zeigt einen wesentlich flacheren Anstieg des Druckverlustes über die Betriebszeit als bei den vorangegangenen Beispielen. Der Partikelabbrand erfolgte hier schon bei Abgastemperaturen, die bei geringer Motorlast erreicht werden, wobei ein erheblicher Teil der ankommenden Rußpartikel ohne wesentliche Ansammlung sofort am Filter verbrennt.

Dadurch ist hier eine ausgeprägte Rußsammeiphase nicht mehr vorhanden, was als wesentlicher Vorteil der alternierenden A-B-A-B -Anordnung zu werten ist.

Das Beispiel veranschaulicht, daß bei alternierender Anordnung von Filterelementen der Spezies A und B die niedrigsten Zündtemperaturen, der geringste Druckanstieg und die größte Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Konvertierung bei weiterer Verbesserung des Filterwirkungsgrades erreicht werden können.

co ο

bo

CJl

to O

Meßdatentabelle zu den Beispielen

Beispiel	^PZ (Zünddruck) nibar	^TZ (Zündtemp.) ⁰C	^PE (Enddruck) iribar	Partikel- abnahme %	Partikel- emission %	Abgaskonvertierung bei 400° C %	CO	*
1 (Fig. 2)	200	475	110	74	26	HC	*	*
2 (Fig. 3)	175	408	70	63	37		*	*
3 (Fig. 4)	157	375	65	65	35	*	70	*
4 (Fig. 5)	100	350	60	68	32	72	87
87

* = Werte liegen innerhalb der Meßgenauigkeit, d. h. sie sind vernachlässigbar klein.

Insgesamt geht aus den Beispielen hervor, daß sowohl eine Serienschaltung von Filterelementgruppen der Spezies A und B als auch eine alternierende Anordnung A-B-A-B usw. erhebliche Vorteile gegenüber Filtersystemen erbringen, welche entweder keinen Katalysator oder nur einen Zündkatalysator (für den Abbrand der Rußpartikel) enthalten. In beiden Fällen kann der durch die Filtereinrichtung hervorgerufene Druckverlust niedriger gehalten werden und der Rußabbrand gelingt bereits bei niedrigen Motorlasten.

Dies bedeutet für den praktischen Einsatz im Fahrzeug eine erhöhte Betriebssicherheit der Rußfiltereinrichtung, eine verringerte Schadstoffemission und einen verringerten Treibstoffverbrauch des Motors. Die in Beispiel 4 vorgestellte Ausführungsform der Erfindung ist dabei noch derjenigen von Beispiel 3 überlegen. Indessen übertrifft letzte-·· re schon die Effektivität von Systemen, bei denen parallel geschaltete Filtermembranen anströmseitig den Zündkatalysator und abströmseitig den Nachverbrennungskatalysator für flüchtige bzw. verflüchtigte Schadstoffe tragen.

Die für den Katalysator der Filterelemente A entwickelten speziellen Stoffzusammensetzungen schaffen eine entscheidende und auch selbständig in anderem Rahmen verwertbare Voraussetzung für die Bewältigung der durch die relativ kühlen Abgase des Dieselmotors aufgeworfenen Probleme von Rußzündung und -abbrand.

Hanau 11, 24.2.1984
PAT/Dr.Kr-ho

Claims

Patentansprüche
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.\ Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren

mit einem im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filter, welcher mit einem die Zündtemperatur ausgefilterter Rußteilchen senkenden und ihren Abbrand fördernden sowie mit einem die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse unmittelbar oder im Abstand hintereinander Filterelemente zur Abtrennung der Rußteilchen angeordnet sind, wobei mindestens ein Filterelement A, welches den die Zündtemperatur des Rußes senkenden und seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt und mindestens ein Filterelement B, welches den die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt, einander mehrfach abwechseln.
2. Einrichtung nach Anspruch l_r dadurch gekennzeichnet, daß eine Serie alternierender einzelner Filterelemente oder Filterelementgruppen der Spezies A und B in Richtung des Abgasstroms mit einer Spezies A beginnt und mit einer Spezies B endigt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Filterelemente A bzw. B gleicher geometrischer Form in einem Abstand von höchstens der doppelten Stärke des Filterelements aufeinander folgen.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Filterelement für ein Gehäuse

vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts eine gegebenen-15

falls mit einer metallischen Einfassung als Halterung umgebene flache Scheibe aus verdichtetem und gegebenenfalls durch punktförmiges Verlöten, Verschweißen oder Versintern formstabilisierten Drahtgewebe verwendet

wird, welche bei axialem Pressen eines in mehreren 20

Lagen aus einem "endlosen", hochtemperaturfesten und korrosionsunempfindlichen Draht geflochtenen Strumpfes resultiert.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch 25

gekennzeichnet, daß der Katalysator für das Filterelement A aus einer oder mehreren der nachstehenden Zusammensetzungen a) bis e) besteht:

go a) Lithiumoxid,

b) Vanadinpentoxid,

c) Vanadinpentoxid plus Oxid eines oder mehrerer der Elemente

Li, Na» K, Rb, Cs;

Mg, Ca, Sr, Ba?

¹ B, Al;

Si, Sn; Sb, Bi; Cu, Ag; ⁵ Zn;

Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Tb; Ti, Zr, Hf; Nb;

Cr, Mo, W; ¹⁰ Mn, Re;

Fe, Co, Ni,

wobei der Oxidzusatz vorzugsweise 1-30 Gew.%, bezogen auf V₂O₅ beträgt,

d) Vanadat von einem oder mehreren der unter c) für den Oxidzusatz aufgeführten Metalle und

e) Perrhenat, vorzugsweise von Li, K, Ag, V.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial kombiniert ist, wobei dieses entweder mit dem Katalysator vermischt ist oder, aufgebracht auf dem Filterelement, dem Katalysator als Unterlage

25 ^dient-
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator für das Filterelement B eines oder mehrere Platingruppenelemente, gegebenenfalls zusammen mit einem oder mehreren Unedelmetallen, in Kombination mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial, vorzugsweise MgO, Al₃O₃,

insbesondere /T^-Al₃O₃, CeO₃, SiO?' ^Sn02' TiO₃, ZrO₃, HfO₂, ThO₃, Nb₃O₅, WO₃, Magnesiumsilikat, Aluminiumsilikat und/oder Magnesiumtitanat oder Kombinationen davon, eingesetzt werden, wobei letzteres

entweder mit dem Katalysator vermischt ist oder, auf dem Filter aufgebracht, dem Katalysator als Unterlage dient.